第5章 电压测量

1、第第5章章 电压测量电压测量5.1 概述概述1电压测量的意义电压测量是电测量与非电测量的基础。电量测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电压、电流和功率是表征电信号的三个基本参量是。但是，从测量的观点来看，测量的主要参量是电压，因为在标准电阻的两端若测出电压值，那么就可通过计算求得电流或功率。电路的工作状态，如饱和、截止、谐振；许多电参数，如频率特性、波形的非线性失真系数、增益、调制度都可以视为电压的派生量，都可以用电压来描述。在非电量测量中，许多物理量（如温度、压力、振动、速度、加速度等）都可以通过传感器转换成电压量，通过电压测量即可方便地实现对这些物理量的测量与监测。5.1.1 电压测

2、量的意义和基本要求电压测量的意义和基本要求2对电压测量的基本要求由于在电子电路测量中所遇到的待测电压具有频率范围宽、幅度差别悬殊、波形的形式多等特点，所以对电压测量提出了一系列的要求，主要可概括如下：（1）应有足够宽的频率范围（2）应有足够宽的电压测量范围（3）应有足够高的测量准确度（4）应有足够高的输入阻抗（5）应具有高的抗干扰能力（6）电压波形的多样化。5.1.2 电子电压表的分类电子电压表的分类电子电压表的类型很多，一般按测量结果的显示方式将它们分为模拟式电压表和数字式电压表。1模拟式电压表模拟式电压表即指针式电压表，它用磁电式直流电流表（通常称为表头）作为指示器，有直流电压表和交流电压

3、表之分。直流电压表是构成交流电压表的基础，用于测量直流电压。交流电压表用来测量交流电压，测量时，首先利用交直流变换器将交流变成直流，再依照测量直流电压的方法进行测量，其核心为交直流变换器AC/DC。一般利用检波器来实现交直流变换。检波器按其响应特性分为均值、峰值和有效值检波器三种，交流电压表则相应地分为均值电压表、峰值电压表和有效值电压表。（1）检波放大式电压表检波器衰减器直 流 放大器xuA图5-1 检波放大式电压表框图 （2）放大检波式电压表衰减器交 流放大器检波器xuA图5-2 放大检波式电压表框图（3）外差式电压表输入电路混频器中频 放大器检波器本机振荡器xuA图5-3 外差式电压表框

4、图外差式电压表的频率范围取决于本振频率范围。只有当本振频率可以达到很高时，电压表的频率范围才能更宽。但是当本振频率很高时，不仅对本振电路的屏蔽要求更高，而且电压表的造价也很高。所以外差式电压表一般为高频电压表而不是超高频电压表。三种结构形式电压表的性能比较如表5-1所示。表5-1 三种结构形式电压表的性能比较结构形式灵敏度频带宽度电压表类型外差式（选频电压表、测量接收机）很高很宽高频微伏表检波放大式（利用调制式直流放大器）稍高很宽超高频毫伏表放大检波式稍低较窄高频毫伏表、视频毫伏表此外，还有热偶式电压表。热偶元件是由两种不同材料的导体连接而成的具有热电现象的元件。热偶式电压表是利用被测电压加在

5、电热丝上对热偶元件加热而产生热电势，再根据热电势与加热温度的函数关系来测出被测电压。按照测量电压频率范围的不同，交流电压表还可分为超低频电压表（低于10Hz）、低频电压表（低于1MHz）、视频电压表（低于30MHz）、高频或射频电压表（低于300MHz）和超高频电压表（高于300MHz）。2数字式电压表数字式电压表（DVM，DigitalVoltmeter）是利用A/D（模/数）变换器将模拟量变换成数字量，并以十进制数字形式显示被测电压值的一种电压测量仪器。最基本的数字电压表是直流数字电压表。直流数字电压表配上交直流变换器即构成交流数字电压表。如果在直流数字电压表的基础上，配上交流电压/直流电

6、压（AC/DC）变换器、电流/直流电压（I/V）变换器和电阻/直流电压（R/V）变换器，就构成数字万用表。直流数字电压表的核心是A/D变换器。A/D变换器分为积分式、比较式和复合式三种类型，直流数字电压表相应地分为积分式、比较式和复合式三种类型。目前，应用比较广泛的是双积分式DVM，其次是逐次比较式DVM。随着科学技术的发展和对测量要求的提高，现在已有复合式DVM和双积分式DVM的改进型三次积分式DVM等多种类型的数字电压表供应市场。数字电压表还具有测量准确度高、分辨力强、测速快、输入阻抗高、过载能力强、抗干扰能力强等优点。由于微处理器的应用，目前高中档数字电压表已普遍具有数据存储、自检等功能

7、，并配有标准接口，可以方便构成自动测试系统。而模拟式电压表具有结构简单，价格低廉，频率范围宽等特点，并且还可以更直观地观测信号电压变化情况。因此数字式电压表还不能完全代替模拟式电压表。5.1.3 电压测量的方法和分类电压测量的方法和分类按被测对象可以分为直流电压测量和交流电压测量，按测量的技术手段可以分为模拟电压测量和数字电压测量。不同的测量方法，采用不同的测量仪器。1直流电压的模拟测量直流电压的模拟测量一般是将被测模拟电压经过放大或衰减后，驱动直流电流表（动圈式A表）指针偏转，以指示测量结果。其结构简单，但一般测量准确度较低。2交流电压的模拟测量为了测量交流电压，需进行交流-直流（AC/DC

8、）变换（或称为检波），将交流电压变换成直流电压或再经过放大或衰减后，驱动直流电流表（动圈式微安表）指针偏转，以指示测量结果。交流电压的模拟测量方法（电流表指示）简单，价廉，特别是在测量高频电压时，其测量准确度不亚于数字电压表，因此，传统的模拟式电压表、电平表和噪声测量仪表仍在应用。3直流电压数字化测量直流电压数字化测量是通过模拟-数字（A/D）转换器，将模拟电压量转换成对应的数字电压量。然后用电子计数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。数字化电压测量直观方便，功耗低，测量准确度高，以A/D转换器为核心即可构成数字电压表（DVM）。4交流电压的数字化测量交流电压经过AC/DC变换后得到直流电压

9、，然后，通过数字化直流电压测量方法，即可实现交流电压的数字化测量。数字多用表（DMM）可以测量直流和交流的电压、电流、阻抗等，因而得到广泛应用。5基于采样的交流电压测量方法实现交流电压测量的另一种方法是，直接采用高速A/D转换器，将被测交流电压波形以奈奎斯特采样频率实时采样，然后，对采样数据进行处理，计算出被测交流电压的有效值、峰值和平均值。6示波测量方法利用模拟示波器或数字存储示波器可直观显示出被测电压波形，并读出相应的电压参量。实际上，示波器是一种广义的电压测量仪器。5.2 模拟式直流电压的测量模拟式直流电压的测量5.2.1 三用表中的直流电流、电压测量三用表中的直流电流、电压测量1表头三

10、用表中直流电流、电压通常由磁电式高灵敏度直流电流表作指示。直流电流表俗称表头，图5-4给出了动圈式电流表头结构的示意图。其工作原理是利用载流导体与磁场之间的作用来产生转动力矩，使导体框架转动而带动指针偏转，其偏转角度正比于通过线圈的被测电流。即I=K（5-1）图5-4 动圈式仪表的结构双视图2电流表量程扩展 表头的等效电路如图5-5所示。它允许通过的最大电流值称为量程Im，如50A、100A。1mA等。由于电流线圈匝数很多，其内阻较大。设现有一表头，Im=50A，r=3k。现要测量500A电流怎么办？如图5-6所示，要并联分流电阻RS以扩展量程。因两路A、B端电压相等,即SmmRIIrI)(

11、rnrIIrIIIRmmmS1111式中n称电流量程扩大倍数，也称分流系数。图5-5 表头等效电路 图5-6 电流量程扩展3直流电压测量直流电压测量用电流表头能否直接测量电压？由于表头的内阻是一定的，当在表头两端加上不同电压时，表针偏转角也不同，因此经过校准，在表盘上按电压数值刻度后，就可用来测量电压。不过由于表头内阻较小，容许通过的电流又很小，所以它能测量的电压范围也很小。现以Im=50A，r=3 k表头为例，在指针指示满刻度时，它两端的电压是：VrIUmm15. 0103105036即它所能测量的最大电压为0.15v。为了能测量较高的电压，需串联倍压电阻RP来扩展量程，如图5-7。1）电压

12、测量的重要性 图5-7 表头直接测量电压 图5-8 三用表直流电压挡量程扩展的原理电路图rIURRrIUmPPm)(mmPVIURrRmmmIUURIUURrIUR/ )(/ )()/(23312211通常把电压表内阻RV与量程Um之比定义为电压表的电压灵敏度(每伏欧姆数/V)：“/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。“/V”数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时的电压表内阻，即mmVVIURK1mVVUKR 例如某电压表的“/V”数为20k/V，则5V量程和25V量程时电压表内阻分别为100k和500k。图5-9表示用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流

13、电压。设被测电路输出电阻为R0，被测电压实际值为E0，电压表内阻为RV，则电压表读数值为mmVVVIURRERRREU00000VRRREEU00000图5-9 用普通直流电压表测量高输出电阻电路的直流电压由式（5-5）、式（5-10）可见，低压档时，RV更小，对测量结果影响更大。为了消除这一影响，可使用两个不同量程档U1、U2进行测量。将电压表的两次读数值U01、U02代人下式，计算得被测电压的近似值读数相对误差为0201020) 1(UUUKKE5.2.2直流电子电压表直流电子电压表直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器（以提高输入阻抗）和直流放大器（以提高测量灵敏度）构成，当需要测量

14、高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电子电压表组成框图如图5-10所示。R0U1KU2U3R1R3R2UxFET源极跟随器放大器RvAUxUAI0IIFRFUfAUi分压器及跟随器 FET 图5-10 电子电压表框图 图5-11 集成运放电子电压表原理图5.3 交流电压的测量5.3.1表征交流电压的基本参量峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。峰值以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp表示）。注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。t tu(t)Vp0UmTU图5-12 交流电压的峰值平均值（均值）数学上定义为： 相当于交流电压u(t)的直流分量。交

15、流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）： 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 01( )TUu t dtT01( )TUu t dtT20.637ppUVV有效值定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某纯电阻负载R所产生的热量，与一个直流电压V在同一负载上产生的热量相等时，则该直流电压V的数值就表示了交流电压u(t)的有效值。表达式：直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q_=I2RT= 交流电压u(t) 在T内电阻R上产生的热量Q= 由Q_= Q得， 有效值2VTR20( )Tu tdtR201( )TVu t dtT（5-

16、17） 有效值意义：有效值在数学上即为均方根值。有效值反映了交流电压的功率，是表征交流电压的重要参量。对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T 波峰因数和波形因数波峰因数定义：峰值与有效值的比值，用Kp表示，10.7072ppVVVppVKV峰值有效值波峰因数和波形因数对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T波形因数定义：有效值与平均值的比值，用KF表示，对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T21.41/2pppVKVFVKV有效值平均值(1/2)1.112/2 2pFpVKV（）波峰因数和波形因数常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到：

17、如正弦波：Kp=1.41， KF=1.11； 方波： Kp=1， KF=1； 三角波：Kp=1.73， KF=1.15； 锯齿波：Kp=1.73， KF=1.15； 脉冲波：Kp= ， KF= ， 为脉冲宽度，T为周期 白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。TT5.3.2均值电压的测量均值电压的测量平均值检波原理 由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。如图，整流电路输出直流电流I0，其平均值与被测输入电压u(t)的平均值成正比（与u(t)的波形无关）。（电容C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）I0u(t)D1D2D3D4CCu(t)D1D2I0（b）全波平均值检波器（a）半

18、波平均值检波器 图5-13 平均值检波器的原理2波形换算方法由于平均值电压表的指示装置是按正弦信号有效值来刻度的，因此，对非正弦信号而言，其指示值并没有直接的意义，需要通过引入定度系数的概念来变换成所需要的波形参数。假设被测任意波形电压的平均值为，指示装置的指示值为a，则定度系数定义为aKUaKUaKaaKaU 即 22211. 1/221UKa若被测信号为正弦波，且采用全波检波电路，设正弦信号的有效值为1V时，其峰值为，则正弦信号的平均值为，故 对非正弦信号而言，按照“平均值相等，指示值也相等”的原则，先将指示值变换为被测信号的平均值，即然后，再用波形变换系数计算出被测信号的有效值9 . 0

19、11. 1aKUUKUFFK3波形误差用均值电压表测量非正弦波电压时，其读数应作修正。FxFxKUKU9 . 0如果不作修正，即将读数当成有效值时，将产生波形误差W%100 xWU%100)9 . 01 (9 . 0FFWKK5.3.3 峰值电压的测量峰值电压的测量1峰值电压表的工作原理峰值电压表，简称峰值表，属检波一放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中）。峰值是指交变信号在一个周期内电压值所能达到的最大值。峰值检波器是指检波输出的直流电压与输入交流信号峰值成比例的检波器。常见的峰值检波器有串联式、并联式和

20、倍频式三种，如图5-14所示。VDRCxuVDRCxu1VDR2Cxu2VD1CCuRURUCUxUxURU（a）串联式 （b）并联式 （c）倍压式图5-14 峰值检波原理图2波形换算方法与平均值电压表一样，峰值电压表的指示装置也是按正弦信号有效值进行刻度的。在额定频率下度盘上的指示值为 。因此对非正弦信号而言，也需要通过引入定度系数 进行波形换算。若用峰值检波器，仪表的指示值为 ，则当被测信号为正弦电压时，（5-28）当被测信号为非正弦信号时，其指示值同样没有实际意义，只有将指示值除以定度系数等于正弦信号的峰值，按照“峰值相等，指示值也相等”的原则，求出被测信号的峰值，然后再用波峰系数求出被

21、测信号的有效值。因此ppaKpapUK21pppaUUUKKppU2ppppKUKU213波形误差 由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义，测量非正弦波时，如果不进行换算，将产生波形误差。其定义 （5-31） 即 （5-32）式中 为输入电压的波峰因数。%100ppWU%100)21 ()1 (PPPWKKKPK5.3.4 有效值电压的测量有效值电压的测量有效值电压表类型繁多，按照所用检波器类型的不同，可以分为：检波式、热偶式、计算式。检波式有效值电压表通常选用分段逼近式有效值检波器。如DY-2型有效值电压表。一般都认为有效值电压表的读数就是被测电压的有效值，而与被测电压波形无关，称之为真有效

22、值表。1有效值检波器根据有效值的定义来看，在有效值响应表中，要将被测电压先平方，再平均和开方。被测电压平方用平方率检波来实现，如图5-15所示，开方用刻度的方法来实现。图5-15 平方率检波器202002002)(1)(1XXTtKUUKEKEdttuEKTdttiTI2XKUI 2有效值检波的主要实现方法（1）分段逼近式有效值检波器 利用二极管和电阻网络，人为地制造一条用折线逼近的平方率曲线，可以大大地扩展有效值检波器的动态范围。此种方法用得较为广泛。 图5-16 分段逼近平方率曲线图5-17 分段逼近平方率检波电路（2）热电偶式交直流转换器 根据热电现象和热电偶原理，利用热电偶的热电变换功

23、能可以将被测交流电压的有效值转换成直流电流。 图5-18 热电转换原理 图5-19 DA-24型有效值电压表原理框图（3）计算式有效值检波器 原理图通过多级运算器级连实现模拟乘法器（平方）积分开方比例运算。 单片集成TRMS/DC电路，如AD536AK等。2( )ut0TAu(t)Vrms3有效值电压表的误差有效值检波器响应于被测电压的有效值，而与波形无关。用有效值电压表测量任何波形的电压，其读数就是有效值。所以，理论上讲不会产生误差，这是有效值电压表的最大优点。但是在实际测量中，由于波形的复杂性和电路的限制，会出现波形误差，一种是有效值检波器测量失真正弦波时出现波形误差；另一种是用有效值检波

24、器测量特殊非正弦波时的波形误差。三种电子电压表主要特性比较三种电子电压表主要特性比较电压表电压表组成原理组成原理主要主要适用场合适用场合实测实测读数读数读数读数的物理意义的物理意义对正弦波对正弦波 非正弦波非正弦波均值均值放大放大- -均检均检低频信号低频信号视频信号视频信号有效值有效值U U峰值峰值峰检峰检- -放大放大高频信号高频信号峰值峰值U UP P0.707U0.707UP P有效值有效值U UU=UU=UP P/K/KP P有效值有效值热电偶式热电偶式计算式计算式非正弦信号非正弦信号有效值有效值U UU U真有效值真有效值U UU均值均值U1.11UU=KF5.4 电平的测量电平的

25、测量5.4.1 分贝的概念分贝的概念分贝声学中，分贝是表示音量强弱的一个单位。通信系统中，也常用分贝表示电平或功率。当用分贝表示功率时，定义为：当用分贝表示电压时，由功率与电压的关系： 和当R1=R2时，有1210lgPdBP2111VPR2222VPR1220lgVdBV分贝可见，分贝是一个用对数表示的相对量值（记作dB），如果相对于一个确定的参考基准量，此时的分贝值则表示了一个绝对电平。若P2= P0（基准量），并取P0=1mW；P1=被测功率，用Px表示，其分贝值用dBm表示（下标m指示以mW为单位表示被测功率绝对值）。则功率电平：显然，当Px=P0=1mW为0dBm时，若Px1mW，分

26、贝值为正，若Px1mW，分贝值为负。10lgwmxP dBP mW分贝电压电平：以600电阻上吸收P0=1mW的基准功率时电压的有效值为参考基准量V0。由于因此，取基准量V0=0.775V，其分贝值用dB或dBV表示（下标V指示以V为单位表示被测电压绝对值）。 对于任意被测电压Vx，其电压电平定义为 和 之间可换算或查表。20.7751600mW 20lg0.775xVVV VP dBxxmP mWP dB xxVV VV dB宽频电平表具有分贝读数的电压表称为“宽频电平表” 。组成框图：在均值电压表（放大-检波式）基础上设计的。输输入入衰衰减减器器宽宽带带交交流流放放大大器器均均值值检检波波

27、器器uAd dB B“输输入入电电平平”选选择择标标准准电电平平震震荡荡器器“输输入入阻阻抗抗”选选择择“电电平平校校准准”dB宽频电平表 如图，输入衰减器上用dB表示“输入电平”选择，衰减步进为10dB，相当于衰减 倍，（ ）。 输入衰减器可用标准电平振荡器校准。 可根据测量时的阻抗匹配原则选择“输入阻抗”（一般有75/150/600/高阻共4档）。 宽带放大器上还有“电平校准”旋钮，用于调节放大器增益。 表头刻度为dB，可以是dBV（测量电压电平）或dBm（测量功率电平）两者之一，也可以是两者兼容。103.162120lg1010dB 宽频电平表宽频电平表刻度特性及dB值的读出。电压电平测

28、量：表头标定时选择输入阻抗600，则对应的0dB电压为0.775V（有效值）。通常0dB约在表头指针满刻度的2/3左右，0dB的左边为-dB（0.775V）。 表头读数只能表示输入无衰减且交流放大器增益为1时被测电压的分贝值。当引入衰减和放大后，被测电压的dB值应为：衰减器读数表头读数。宽频电平表注：衰减器的读数是依据其后面的放大器增益标出的（并不表示其真实的衰减量）。例如，若某电平表的最高灵敏度为-70dB，当输入最小电压-70dB时（ ，衰减器不衰减），希望表头指示0dB，则放大器输出（加到检波器输入）必须为0.775V，相应的 放大器增益（ ）。而此时， 虽然衰减器没有衰减，但应标注为“

29、70dB” 。 则：当表头读数为0dB时，实际被测电压dB值70dB0dB70dB。 20lg700.775xVdB 0.77520lg70|ooVVxVdBV宽频电平表对功率电平的测量：实际上是对阻抗两端电压电平的测量。“零刻度基准阻抗” ：与1mW基准功率对应的阻抗Z0 ，取为600。此时表头的功率电平刻度与电压电平刻度一致（实际表头的功率电平刻度就是按600“零刻度基准阻抗”定度的）。若选择输入阻抗Zi600，就可直接从表头读出功率电平值。当Zi600时，则应根据读出的电压电平换算出功率电平，其换算公式为0 10lgWmViZP dBP dBZ4）外差式选频电平表原理外差式接收原理。特点

30、大大提高灵敏度（可达-120dB，相当于0.775V）。常称为“高频微伏表” 。如DW-1型，频率范围为100kHz300MHz，最小量程15V 。 应用小信号电压的测量以及从噪声中测量有用信号。放大器谐波失真的测量、滤波器衰耗特性测量及通信传输系统中。4）外差式选频电平表组成框图组成：外差式接收机宽频电平表。输入电路：衰减或小增益高频放大。两级变频：输入fx与第一本振f1（可调）混频，经带通滤波器选出fZ1（固定）；输输入入电电路路中中频频放放大大器器均均值值检检波波器器dB混混频频器器2 2fZ2(固固定定)f2(固固定定)带带通通滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器混混频频器器1 1f1(可

31、可调调)fZ1(固固定定)fx(第第一一本本振振)(第第二二本本振振)4）外差式选频电平表组成：fZ1再与第二本振输出f2（固定）混频，得到固定的第二中频fZ2（经窄带滤波器选出）。 中频放大器：在窄带中频上有很高的增益（从而实现高灵敏度）。表头：dB刻度。外差式选频电平表通过外差式接收机扩展了频率范围，通过窄带中频放大实现高灵敏度。很好地解决了测量灵敏度与频率范围的矛盾。5）电压表的使用了解不同电压表的性能特点，根据应用场合加以选用。峰值电压表检波-放大式。峰值响应、频率范围较宽（达1000MHz）但灵敏度低（mV级）。“调制式电压表”：采用高增益低漂移的调制式直流放大器，使测量灵敏度大为提

32、高，从mV级提高到几十V 。读数的换算：根据波峰因数，将读数换算成有效值（或峰值）。需注意：测量波峰因数大的非正弦波时，由于削波可能产生误差。 5）电压表的使用均值电压表放大-检波式。均值响应、灵敏度比峰值表有所提高但频率范围较小（Wx弃04gW0Wx弃05.6.2 双积分型双积分型DVMA/D转换器分类积分式：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWM）式、电压-频率（V-F）变换式等。非积分式：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、比较式（逐次逼近式、零平衡式）等。 1）逐次逼近比较式ADC基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对分搜索”的策略，逐步缩小

33、Vx未知范围的办法。假设基准电压为Vr=10V，为便于对分搜索，将其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。 Vr可分解为：双积分式ADC基本原理：通过两次积分过程(“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”)的比较，得到被测电压值。原理框图包括积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制电路。下图a.原理框图，b.工作波形图。 图5-29 双积分式DVM原理框图图5-30 双积分A/D原理工作过程复零阶段（t0-t1）。开关S2接通T0时间，积分电容C短接，使积分器输出电压Vo回到零（Vo=0）。对被测电压定时积分(t1-t2)。接入被测电压（设Vx为正），则积分器输出Vo从零开始线性地负向增长，

34、经过规定的时间T1，Vo达到最大Vom，式中， 为Vx的平均值， 为积分波形的斜率(定值) 对参考电压反向定值积分(t2-t3)。接入参考电压(若Vx为正，则接入-Vr)，积分器输出Vo从Vom开始线性地正向增长(与Vx的积分方向相反)直至零。2111tomxxtTVV dtVRCRC 10TxxVV dt1TRC此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为T2，则有：将Vom代入可得：由于T1、T2是通过对同一时钟信号（设周期T0）计数得到（设计数值分别为N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是 或式中， 为A/D转换器的刻度系数（“V/字”）。可见计数结果N2（数字量）即可表示被

35、测电压Vx，N2即为双积分A/D转换结果。32210()tomromrtTVV dtVVRCRC21xrTVVT221xrNVVeNN121xxrNNVVVe1rVeN3）双积分式ADC双积分式ADC特点： 基于V-T变换的比较测量原理。 一次测量包括3个连续过程，所需时间为T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2则与被测电压Vx有关，Vx愈大T2愈大。一般转换时间在几十ms几百ms，（转换速度为几次/秒几十次/秒），其速度是较低的，常用于高精度慢速测量的场合。 积分器的R、C元件对A/D转换结果不会产生影响，因而对元件参数的精度和稳定性要求不高。 参考电压Vr的精度和稳定性对A/D转

36、换结果有影响，一般需采用精密基准电压源。（例如，一个16bit的A/D转换器，其分辨率1LSB=1/216=1/655361510-6，那么，要求基准电压源的稳定性（主要为温度漂移）优于15ppm（即百万分之15）。双积分式ADC特点：比较器要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时间分辨力（响应带宽）。如一个6位的A/D转换器，若满度时积分器输出电压为10V，则ADC的1LSB=10V/106=10uV，则要求比较器的灵敏度优于10uV。响应带宽则决定了比较器及时响应积分器输出信号快速（斜率较陡峭）过零时的能力。积分器响应的是输入电压的平均值，因而具有较好的抗干扰能力。如输入电压vx=Vx+vs

37、m，则T1阶段结束时积分器的输出为DVM的最大干扰来自于电网50Hz工频电压（周期为20ms），因此，只要选择T1时间为20ms的整倍数，则干扰信号vsm的平均值为零。21111()tsmomxsmxtTTVVvdtVvRCRCRC 5.7 数字多用表数字多用表5.7.1 数字多用表数字多用表DMM（Digital Multi-Meter）的组成）的组成和模拟直流电压表前端配接检波器即可构成模拟交流电压表一样，在数字直流电压表前端配接相应的交流直流转换器（AC/DC）、电流电压转换电路（I/V）、电阻电压转换电路（/V）等，就构成了数字多用表，如图5-31所示。可以看出，数字式多用表的核心是数

38、字直流电压表。由于直流数字电压表是线性化显示的仪器，因此要求其前端配接的AC/DC、I/V、/V 等变换器也必须是线性变换器，即变换器的输出与输入间成线性关系。前面介绍的有效值检波器的输出（流过直流微安表电流I）和电压有效值U之间不是线性关系（见式（5-34），因而那种有效值检波器不是线性AC/DC变换器。AC/DCI/VZ/VDVMCPUDCACIZ图5-31 数字多用表组成方框图5.7 数字多用表数字多用表5.7.2 电流、电压、阻抗变换技术AC/DC变换将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值和有效值，如前所述。+-+-+1R+-0uxuiu+-+1R2R0uxuVD1VD2iutt

39、00uxu0UP（a） （b） （c）图5-32 线性检波原理5.7 数字多用表数字多用表I/V变换 基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。如下图。+-1R2R+-0usRxI+-sR+-0usRxI（a） （b）图5-34 I/V变换器3/V变换器实现/V变换的方法有多种，图5-35是恒流法 /V变换器原理图。+-sR+-0usRxR-+sU图5-35 恒流法/V变换器数字多用表数字多用表（DMM）的主要特点一般内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理（求平

40、均、均方根值）等自动测量功能。一般具有外部通信接口，如RS-232、GPIB等，易于组成自动测试系统。数字多用表的使用二端法和四端法测电阻。如下图（图中Rl1、Rl2、Rl3、Rl4为等效导线电阻和接触电阻）。 a. 二端法b. 四端法图a中，实际测量得到的电阻值为Rx+Rl1+Rl2（即包含了引线电阻和接触电阻），使测量值偏大。只有当 (即测量大电阻时)Rl1和Rl2才可忽略。图b中，由于 (Rin为DMM输入电阻)，Rl3和 Rl4上基本上无电流流过（线上无压降），所测电压为Rx两端的电压。12,xlxlRRRR34,linlinRRRRR Rx xIrIrVxDMMRl1Rl2R Rx

41、xIrIrVxDMMRl1Rl2Rl3Rl45.7.3DT830型数字万用表型数字万用表图5-36 DT830型数字式万用表的面板5.8 电流测量电流测量1对电流测量的要求电流测量包括直流及交流信号的测量。就交流信号电流而言，从20Hz的音频直到几百MHz。幅值从mA到kA，可以看出电流测量要适应频率及量值极其宽广的特点。（1）电流测量要有足够的精度（准确度）对于准确度，一方面我们要求测量设备，对于被测量要有足够的准确度。一般数字仪表的准确度要比模拟式指针表高，而模拟仪表的准确度又分为七个等级。另一方面，我们在测量时，要根据被测量的不同，而选择不同的量程，从而达到我们所需要的准确度。（2）测量

42、仪表接入电阻尽量小。在测电流时，一般是用直接法，把电流表串接到电路中去，为了减小对原电路的影响，降低电流表自身的电能消耗，提高测量的准确度，测量仪表的接入电阻应尽量小。（3）测量仪表应具有高的抗外界干扰能力。在测量微弱信号，或使用电磁系、电动系测量机构的仪表时，容易受到外界因素的干扰，较高精度测量仪表应放在特制的防磁罩中进行测量2电流的测量方法电流的测量一般采用直接测量法和间接测量法两种方法。相对而言，直接测量法使用更广泛。（1）直接测量法 电流直接测量是将直流电流表串接到被测电路中去，在仪表盘上直接读取电流的有效值或平均值。（2）间接测量法电流间接测量法，是给被测电路串接一个已知阻值的电阻，

43、注意此电阻对被测量电路的影响应小到可忽略不记。用测量电压值的手段，测出电阻两端的电压，再通过欧姆定律，计算出电流值。用此方法，可用示波器等图示仪器，测出电流的峰值。如图5-37所示。采用间接测量的原因主要有二个：一是模拟式电流表的阻抗不能做到很小，更不可能接近于零。所以，将电流表串入被测量电路测量电流时，电流表本身的内阻将给电路带来一定的影响。二是电流的直接测量必须将电流表串联在电路中，这样，为了测定电流，必须断开电路，给测量带来麻烦。图5-37 电流的间接测量5.8.2 直流电流的测量直流电流的测量测量直流电流可以采用直流电流表、模拟万用表、数字多用表等仪表。1模拟直流电流表的工作原理（1）

44、磁电式仪表测量直流电流的工作原理 直流电流表多为磁电式仪表，磁电式表头主要由可动线圈、游丝和永久磁铁组成。线圈框架的转轴上固定了读数指针，当线圈中流过电流时，在磁场的作用下，可动线圈发生偏转，上面固定的读数指针也偏转，偏转的角度为ISI （5-55）（2）电流表量程扩展为了扩大表头的电流量程，常采用与表头并联电阻的方法，此并联电阻称为分流电阻或分流器，如图5-38（a）和图5-38（b）所示分别为开路式分流器和闭路式环形分流器。改变分流器阻值的大小可以改变电流表的量程，RP为电流表表头内阻。在图5-38中，由于被测电流IX的一部分被分流电阻R1、R2、R3分流，而使流过表头的电流IA仍然能够维

45、持在额定范围内，这样就不会损坏表头，但因为表盘刻度是以被测电流的大小进行刻度的，所以能够直接测出被测电流的大小。改变量程变换开关S的位置，接入不同的分流电阻R1、R2或R3，就可以测量不同大小的电流IX。 AIARPR1R2R3SIX+分流器 （a） （b）图5-38 多量程电流表电路连接示意图（3）整流式表头的工作原理磁电式的仪表其可动部分的惯性较大，跟不上交流电流流过表头线圈所产生的转动力矩的变化，因而不能指示交流电的大小，所以不能直接用来测量交流电参数。若把交流电转换成单方向的直流电，让直流电通过表头，则指针偏转角的大小就间接反映了交流电的大小。把交流电变为直流电可采用整流电路，常用的整

46、流电路有半波整流和全波整流，如图5-39（a）、（b）所示。 （a）半波整流式表头 （b） 全波整流式表头图5-39 整流式表头原理图2数字式万用表测量直流电流的原理数字式万用表的测量过程是先由转换电路将被测量转换成直流电压信号，由模数转换器将电压模拟量变成数字量，然后通过电子计数器，最后把测量结果用数字直接显示在显示器上。测量过程如图5-40所示。图5-40 数字式万用表的测量过程图5-41 电流-电压转换电路3直流电流的测量方案直流电流一定要用直流结构的电流表来测量，不能用交流电流表来测量。（1）用模拟式万用表测量（2）用数字式万用表测量（3）用间接测量法测量直流电流图5-42 模拟式万用

47、表的测量过程5.8.3交流电流的测量交流电流的测量1交流电流测量的一般方法在电子电路中，交流电流的测量可采用直接测量法和间接测量法两种方法。交流电流的测量可采用模拟电流表、数字电流表进行直接测量或间接测量。一般情况下，采用间接测量法。因为除了电流表本身内阻大小的影响和断开电路的麻烦，交流电流测量还具有其特有的性质。（1）模拟式电流表在直流运用时，可视为一个简单的内阻，而在交流状态下呈现为一个阻抗，电流表在高频运用状态下的等效电路如图5-44所示。A点和B点为电流表的输入端，R0,L0为电流表本身的电阻和电感，C0为A、B之间的分布电容,C1、C2是对地的分布电容。可以看出，由于电流本身的电抗和

48、分布电容的作用，随着频率的增加，阻抗增大，增大的电抗部分引入的测量误差也增加，从而影响了测量的准确性。（2）在超高频段，电路或元件受分布参数的影响，电流的分布也是不均匀的，无法用电流表来测量各处的电流值。（3）利用取样电阻的间接测量法，可将交流电流的测量转换成交流电压的测量，一切测量交流电压的方法都可用来完成交流电流的测量。而且可以利用示波器观察电路中电压和第六的相位关系。但当电路工作频率在20kHz以上时，不能选用普通线绕电阻作为取样电阻，高频时应采用薄膜电阻。在交流电流测量时，只在低频（50Hz500Hz）电流的测量中，用交流电压表或具有交流电流测量挡的普通万用表或数字万用表串联在被测电路中进行交流的直接测量。一般交流的测量都采用间接测量法，即用交流电压表测出电压后，然后根据欧姆定律换算成电流。 图5-43 交流仪表的频率测定范围 图5-44 电流表的等效电路2模拟式交流电流表的工作原理（1）磁电式仪表测量交流电流的工作原理普通磁电式万用表可以测量低频（45500Hz）交流电流，因为在其内部测量电路中加入了一个二极管整流电路，将交流变成了单方向的脉动电流，因而磁电式测量机构的指针能够偏转。为了避免指针抖动，在测量机构两端并联了一个电容。此时仪表的偏转取决于被测交流的整流平均值，但刻度是按正弦有效